基于三軸加速度傳感器的跌倒探測儀的研制

　　跌倒探測儀適用于自理能力和自我保護能力比較差的老年人和兒童，它通過(guò)測量佩戴該儀器的個(gè)體在運動(dòng)過(guò)程中的三個(gè)正交方向上的加速度來(lái)感知其身體姿態(tài)的變化，并可按照需要進(jìn)行報警和發(fā)布。

　　跌倒探測儀由加速度傳感器、數據處理模塊、電源和通信模塊構成。其中傳感器測量對象的加速度矢量；處理器模塊負責采集加速度傳感器的數據，分析判斷對象的身體姿態(tài)并控制報警及報警信息的發(fā)布；電源模塊負責為整個(gè)系統提供電力供給；通信模塊負責將報警信息通過(guò)一定的協(xié)議進(jìn)行發(fā)布。

　　關(guān)鍵技術(shù)

　　人體運動(dòng)模型的建立

　　在姿態(tài)轉變過(guò)程中，重力將成為影響這一運動(dòng)過(guò)程的主要因素。跌倒過(guò)程中，對象的加速度、速度和位移三種矢量均發(fā)生了變化。

　　如圖1建立直角坐標系，X、Y、Z軸相互正交，任意空間方向上的矢量變化均可以分解成X、Y、Z三個(gè)方向上的分量變化。使用者正確佩戴跌倒探測器且處于靜止或水平勻速運動(dòng)狀態(tài)下，Z軸方向的加速度為重力加速度（g），其他兩個(gè)方向上加速度為0。當佩戴者跌倒時(shí)，如果僅考慮初始狀態(tài)和最終狀態(tài)就可以發(fā)現，理想情況下Z軸分量發(fā)生從最大值（1g）變化為0，而X或Y軸的分量則從0變化為最大（1g），具體是X軸還是Y軸發(fā)生這一變化，則由佩戴者跌倒后的姿態(tài)決定--平臥為X軸變化，側臥為Y軸變化。如果身體姿態(tài)介于平臥和側臥之間，則X軸和Y軸的加速度分量將滿(mǎn)足sqrt{x^{2}+y^{2}}=1g（站立情況下這個(gè)矢量和為0），仍然能夠通過(guò)計算分析得出與站立不同的加速度分布。

　　但是在實(shí)際情況中，僅根據加速度分量的改變很難分辨臥倒姿態(tài)的形成原因，容易出現很多假陽(yáng)性（檢測到跌倒而實(shí)際沒(méi)有跌倒）或假陰性（未檢測到跌倒而實(shí)際出現跌倒）。因此，需要算法作進(jìn)一步改進(jìn)。一般來(lái)說(shuō)，假陽(yáng)性情況可以通過(guò)對加速度在時(shí)間域進(jìn)行一次積分求速度、兩次積分求位移的方式，全方位分析佩戴者身體姿態(tài)變化加以篩選；而假陰性情況除采用上面的全面姿態(tài)分析外，還需要佩戴者自主參與才能有效提高檢出效率。因此，建立人體跌倒過(guò)程的運動(dòng)模型，提取跌倒過(guò)程中身體姿態(tài)變化的特征參數是準確檢測跌倒并發(fā)布報警信息的關(guān)鍵。

　　無(wú)線(xiàn)通信及空間定位信息獲取

　　跌倒報警必須及時(shí)送達救助中心才能夠保證救助的有效性，報警信息的及時(shí)發(fā)布要求包含兩層含意：其一是報警信息不會(huì )因為跌倒探測器佩戴者的行動(dòng)和所處的位置受到影響；其二，發(fā)布的報警信息中應該包括佩戴者跌倒的地理位置內容，這樣才能保證跌倒者得到有效救助。

　　采用無(wú)線(xiàn)通信的方式發(fā)布跌倒報警信息非常適合能夠自由行動(dòng)的配戴者，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)從技術(shù)成熟度、運行成本角度也都非常適用。從技術(shù)實(shí)現和成本方面考慮，選擇CDMA通信方式更加適合跌倒探測器設計目的的實(shí)現。

　　系統方案設計

　　需求分析

　　身體姿態(tài)監測

　　通過(guò)三軸加速度傳感器的測量值，利用相應算法計算出佩戴者的身體姿態(tài)。當出現跌倒動(dòng)作時(shí)，能夠觸發(fā)MCU中斷處理。

　　報警控制機制

　　使用者可根據自己的身體狀況選擇是否報警，當使用者已無(wú)法控制自己行為時(shí)，本產(chǎn)品應能夠保證自動(dòng)實(shí)施報警。

　　計步器

　　在一般佩戴過(guò)程中，用戶(hù)可使用該項功能，為自己的步行健身活動(dòng)提供量化的參考信息。

　　空間定位

　　在實(shí)施跌倒報警時(shí)，應為報警信息接受方提供報警地點(diǎn)的空間定位信息，保證有效救助及時(shí)到達。

　　無(wú)線(xiàn)通訊

　　能夠將報警和定位信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸到相關(guān)人員處。

　　供電采用鋰電池

　　部分信息顯示使用液晶屏

　　系統架構設計

　　根據跌倒探測器的需求分析，具體的實(shí)現方案設計采用如圖2所示的架構。該架構基于高性能、低功耗MCU--MC9S08QG8，通過(guò)獲取加速度傳感器的采集信息，經(jīng)分析和計算后實(shí)現跌倒探測及報警等多項功能。

　　硬件設計

　　硬件設計圍繞MCU展開(kāi)，產(chǎn)品采用MC9S08QG8芯片，如何充分利用芯片資源，妥善完成產(chǎn)品的各項任務(wù)處理，是設計的關(guān)鍵。參考系統結構框架，根據功能模塊劃分，系統的硬件設計詳細描述如下：

　　加速度采集電路

　　加速度采集使用MMA7260QT，該芯片輸出為模擬信號，需進(jìn)行A/D轉換后才能進(jìn)行數據處理。MC9S08QG8芯片的PA腳為復用通道，可根據需要設置為I/O、鍵盤(pán)中斷或A/D采樣通道。本設計將利用MC9S08QG8芯片內部的A/D模塊實(shí)現模數轉換，具體實(shí)現中采用PA0、PA1和PA2作為三軸加速度的采集通道，與MMA7260QT的Xout（Pin15）、Yout（Pin14）和Zout（Pin13）相連，A/D采樣的控制時(shí)鐘通過(guò)軟件配置MC9S08QG8相應控制寄存器完成。

　　MCU外圍電路

　　本設計中，MCU外圍電路包括電源與時(shí)鐘、數據緩存和按鍵電路三部分構成，下面分別描述。

　　電源與時(shí)鐘

　　功能組件包括MCU、液晶、按鍵、采集、數據存儲和通信幾部分。根據所選用器件的數據手冊，各組件對供電要求如圖3所示。

　　從圖中可以看出，整個(gè)系統設計要求電源參數有三種，分別為3V、3.3V和3.7V。其中，主要數字電路部分--包括MCU及其外圍電路部分要求提供3.3V的工作電壓；而在無(wú)線(xiàn)通信模塊中，針對讀取入網(wǎng)SIM卡部分電路要求3V的供電電壓，CDMA射頻部分工作電壓要求不低于3.5V。

　　在實(shí)際設計中，輸出電壓為3.7V，由于能夠滿(mǎn)足CDMA射頻模塊的工作要求，故直接使用Li電池的輸出供電；聯(lián)通入網(wǎng)SIM卡信息讀取電路的工作電壓為3V，設計中采用MICREL公司的MIC5219-3.0芯片執行電壓轉換工作；其他數字電路部分的工作電壓為3.3V，設計中采用MICREL公司的MIC5219-3.3芯片實(shí)現這一轉換，參見(jiàn)圖3中虛線(xiàn)框中的內容。

　　MC9S08QG8自帶時(shí)鐘模塊（ICS），為了降低功耗和簡(jiǎn)化設計，本系統通過(guò)軟件設置相應的控制寄存器實(shí)現系統時(shí)鐘的上電穩定工作，故在硬件電路設計中不需作過(guò)多的考慮。

　　存儲器

　　有效的數據緩存要求至少具有320點(diǎn)（合1920字節）的存儲深度。 在本設計中，采用Holtek公司的HT24LC16串行EEPROM作為數據緩存。該芯片采用I2C通訊接口，存儲深度2K字節，數據讀寫(xiě)速度在微妙量級，能夠滿(mǎn)足數據實(shí)時(shí)寫(xiě)入的要求。數據寫(xiě)滿(mǎn)后，MCU自動(dòng)將地址重置，從首地址開(kāi)始覆蓋寫(xiě)入新的數據。

　　由于MC9S08QG8內部配有I2C控制模塊，故只需將該模塊對應管腳與EEPROM連接即可--使用PB6（Pin5）和PB7（Pin6）與EEPROM連接。

　　按鍵電路

　　報警確認、報警取消、計步器啟動(dòng)、計步器暫停、計數清零以及無(wú)線(xiàn)通信中接受方號碼的設置，都要求跌倒探測器具有用戶(hù)輸入的接口，設計中采用按鍵實(shí)現。按鍵的接法和使用較為簡(jiǎn)單，直接利用MCU的輸入輸出管腳即可，本設計采用Pin1和Pin13。

　　液晶顯示

　　本設計采用5位7段碼液晶屏，計步器顯示計數和報警接受方電話(huà)號碼輸入都是通過(guò)該液晶屏提供給使用者確認。液晶屏的控制管腳為24個(gè)，由于MCU全部管腳座位液晶控制也無(wú)法滿(mǎn)足工作需求，故在本設計中采用Holtek公司的HT1621B液晶驅動(dòng)芯片完成從MCU到液晶屏顯示數據的管理和驅動(dòng)。另外，HT1621B芯片還具有蜂鳴器控制和驅動(dòng)能力，在本設計中，集成蜂鳴器作為現場(chǎng)報警提示將有助于提高跌倒探測器報警的針對性和準確性，將通過(guò)在HT1621B的BZ管腳連接一蜂鳴器得以實(shí)現。

　　HT1621B為I2C接口，MCU可通過(guò)內部I2C控制模塊傳輸指令和數據給該芯片。由于本系統采用的EEPROM也是使用I2C接口，針對不同器件的數據傳輸和控制指令將通過(guò)地址選擇加以實(shí)現。

　　通信模塊

　　本設計采用AnyData公司的DTGS-800b型OEM模塊。該模塊符合CDMA：IS-95 A/B、IS-98A、IS-126、IS-637A、IS-707A以及IS-2000等標準協(xié)議，能夠提供最高153.6K的數據通訊速率，工作電壓3.6V~4.4V，外形尺寸為53*33*2.7mm，總重量為15g，提供外部通訊接口包括RS-232s、Digital/Analog Audios、LCD、Keypad、Ringer External Reset Control、R-UIM、MP3、MIDI、GPIOs和USB。另外該模塊可收發(fā)短信、集成GpsOne技術(shù)，無(wú)須添加其他組件即可得到地理定位信息，且廠(chǎng)家技術(shù)支持非常完善，其各項功能配置非常適合跌倒探測器的需求描述。

　　具體實(shí)現中，CDMA模塊要求配套入網(wǎng)SIM卡，模塊各項功能可由MCU通過(guò)RS232接口以AT命令的方式加以調用。本設計中通信模塊的設計如圖4所示。

　　MC9S08QG8的SCI外設接口經(jīng)TTL-RS232轉換后，與DTGS-800b的RS232端口相連，用以向該模塊發(fā)AT命令。由于該模塊要求7信號的RS232接口，而MCU自帶SCI不提供該種通信方式，故在系統設計中采用I/O口進(jìn)行軟件模擬其他的控制信號：CTS、RFR和DTR。DTGS-800b模塊通過(guò)SIM卡讀卡電路與SIM卡相連，內部自帶處理器根據需要讀取SIM卡信息，完成CDMA的入網(wǎng)和通信信息的交換。

　　端口分配

　　由于本設計采用MC9S08QG8單片機僅能提供最多14個(gè)I/O端口，根本無(wú)法滿(mǎn)足控制整個(gè)系統運行的信號數量要求，故在進(jìn)行具體設計時(shí)，對各管腳的使用和分配進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的部署，如圖5所示。

　　程序調試和燒入需要兩個(gè)端口，但完成調試和燒寫(xiě)操作后，這兩個(gè)端口可以作為標準的I/O使用，故在設計中將其中一個(gè)I/O（Pin1）作為按鍵的輸入，實(shí)現了端口的復用。

　　CDMA組件與MCU的通訊要求

　　通過(guò)7信號RS232接口，而MC9S08QG8

　　的SCI模塊僅有TXD和RXD兩個(gè)信號，在設計中采用標準I/O通過(guò)軟件模擬的方式實(shí)現其它所需信號，包括DTR、CTS、RFR。

　　EEPROM和液晶驅動(dòng)組件的存取采用I2C接口，本設計中將使用MC9S08QG8的I2C模塊進(jìn)行硬件控制，通過(guò)地址選擇實(shí)現不同組件間的切換。

　　軟件設計

　　軟件設計是系統各項功能具體實(shí)現的關(guān)鍵。在跌倒探測器的軟件設計中，由實(shí)線(xiàn)系統功能引發(fā)的處理內容較多，為了更好地利用和分配MCU的資源，采用了事務(wù)處理和狀態(tài)機相結合的設計方法。

　　事務(wù)處理及狀態(tài)機

　　根據跌倒探測器的設計需求，系統要同時(shí)具備計步器、跌倒檢測、報警處理、系統設置和無(wú)線(xiàn)通信控制等功能。

　　事務(wù)處理的方法借鑒操作系統中的線(xiàn)程概念。首先將每項事務(wù)執行的操作明確，確定每種操作的優(yōu)先級、相互關(guān)系和對資源的要求，然后在主循環(huán)中設置各種操作的啟動(dòng)機制，從總體上看，這些事物在主循環(huán)中并行地得到實(shí)現。跌倒探測器事務(wù)處理的調用關(guān)系如圖6所示。

　　針對某些項事務(wù)處理的實(shí)現，在軟件設計中采用了狀態(tài)機的方法以確保整個(gè)任務(wù)能夠順暢而正確地得以實(shí)現。

　　系統設置

　　系統設置主要完成一些初始化操作和需要使用者進(jìn)行確認的系統信息的設定操作。

　　系統初始化工作主要由MCU完成，包括各種配置寄存器的設置、液晶初始化指令和存儲緩沖區的設置，初始化工作將保證系統各功能組件能夠在上電后正常啟動(dòng)。

　　MCU初始化--MCU_Init( )：

　　通過(guò)設置相應的控制寄存器實(shí)現MCU的啟動(dòng)和對各功能外設（Peripheral）的管理：

　　時(shí)鐘：MCU工作采用內部時(shí)鐘，通過(guò)設置ICS控制寄存器實(shí)現；

　　端口：根據系統端口分配方案，結合相關(guān)外設--I2C、SCI的控制寄存器實(shí)現；

　　I2C控制器：傳輸速率、地址選擇設定；

　　SCI控制器：波特率設置。

　　液晶初始化--LCD_Init( )：

　　通過(guò)指令初始化液晶驅動(dòng)控制芯片HT1621B，完成液晶顯示器的初始化。

　　存儲緩沖區初始化--RT_Data、 Word_Base[ ]：

　　MC9S08QG8內部集成了512字節的RAM滿(mǎn)足程序運行所需。而在跌倒探測器運行過(guò)程中，MCU持續采集加速度傳感器的數據，并進(jìn)行處理，因此要為數據分析預先開(kāi)辟好緩存區。同樣，在利用CDMA發(fā)布報警信息時(shí)，報警信息文字內容需要在進(jìn)行軟件設計時(shí)預先設定好，并在需要使用時(shí)通過(guò)指針調用。

　　需要使用者進(jìn)行確認的系統信息的設定，是指跌倒探測器報警信息的接收方可以根據實(shí)際情況由使用者進(jìn)行設定，例如親屬的移動(dòng)電話(huà)或急救中心的固定座機（要求能夠接收短信）。使用者可以通過(guò)按鍵配合液晶，輸入接收方的號碼即可，必要時(shí)使用者也可以對接收方號碼進(jìn)行修改。

　　按鍵功能

　　按鍵功能在軟件設計中單獨提出是因為本系統受限于MCU端口數量，無(wú)法按照預先設計的人機交互需求安排足夠端口作為鍵盤(pán)掃描之用。本設計中最終確定使用2個(gè)按鍵，按鍵的功能設定及使用方法設計如下。

　　"Alam"鍵(啟動(dòng)報警接收方號碼輸入、手動(dòng)報警)：

　　跌倒探測器一般工作模式下，長(cháng)按（超過(guò)2秒）"Alam"鍵，啟動(dòng)報警信息發(fā)布功能，適用于除跌倒情況外其他緊急情況；

　　跌倒探測器一般工作模式下，按"Alam"鍵，跌倒探測器進(jìn)入設置報警接收方號碼狀態(tài)，配合"Alter"鍵實(shí)現號碼輸入；

　　跌倒探測器進(jìn)入報警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep）時(shí)，按"Alam"鍵，直接發(fā)布報警信息，然后關(guān)閉蜂鳴器；

　　"Alter"鍵(計步器啟動(dòng)、暫停、清零、取消報警、設置報警接收方號碼)：

　　跌倒探測器一般工作模式下，按"Alter"鍵在計步器啟動(dòng)、暫停和清零三項功能之間切換；

　　跌倒探測器進(jìn)入報警接收方號碼輸入狀態(tài)時(shí)，"Alter"鍵執行液晶顯示的數字加1的操作，數字從0-9循環(huán)；

　　跌倒探測器進(jìn)入報警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep）時(shí)，按"Alter"鍵取消報警，然后關(guān)閉蜂鳴器。

　　計步器

　　MCU始終在分析佩戴者身體姿態(tài)的信息，因此可以將佩戴者的行走動(dòng)作分析作為一項附屬結果輸出，從而使跌倒探測器還具有了計步器的功能。

　　參考圖1，在理想狀態(tài)下的步行過(guò)程中，X軸和Z軸都應該能夠檢測到加速度的周期性變化--X軸由前進(jìn)的動(dòng)作引起，Z軸由身體的上下起伏引起，這種周期性的變化可以為步行動(dòng)作的分析提供依據。由于在實(shí)際使用過(guò)程中，身體隨邁步動(dòng)作產(chǎn)生相應的晃動(dòng)同樣會(huì )引起加速度傳感器在三個(gè)正交坐標軸方向上的輸出，因此在設計檢測算法時(shí)應設定合適的加速度閾值。只有超過(guò)一定幅度的輸出才被看作是由于邁步動(dòng)作所引起，避免由于正常的身體晃動(dòng)引入的各種偽差。計步器實(shí)現的軟件流程如圖7。

　　跌倒檢測

　　危險的或者可能已產(chǎn)生較嚴重后果的跌倒發(fā)生后，人體通常處于水平狀態(tài)，因此對于這種類(lèi)型的跌倒，要求跌倒探測器都能夠檢測到并實(shí)施報警處理機制。而對于其他較為復雜的跌倒過(guò)程，則需要通過(guò)報警機制的配合，實(shí)現對跌倒探測及危險報警的準確觸發(fā)。跌倒檢測的算法狀態(tài)機如圖8所示，

　　跌倒檢測算法描述如下：

　　1)主循環(huán)等待，監測Z軸加速度變化，如果超過(guò)閾值，進(jìn)入下一步；

　　2)等待加速度恢復到正常范圍內，進(jìn)入下一步；

　　3)再設置延時(shí)10秒，等待佩戴者狀態(tài)穩定；

　　4)數據分析，如果發(fā)現佩戴者身體水平，認為發(fā)生跌倒狀況，觸發(fā)報警處理。

　　報警處理

　　在本設計中，采用跌倒檢測算法和多種報警模式相結合的方式。跌倒探測器檢測到跌倒發(fā)生時(shí)，系統必須能夠準確無(wú)誤地將報警信息發(fā)布出去，才能保證跌倒者獲得救助。跌倒包含很多種類(lèi)型，有些情況下，檢測到的"跌倒"是有意識的行為--或者根本不是跌倒--假陽(yáng)性；另外，有時(shí)跌倒者仍然還保持一定的行動(dòng)能力，為了盡快得到救助，自身可以采取一定的行動(dòng)；還有一種情況，跌倒造成比較嚴重的后果，跌倒者已無(wú)法行動(dòng)。

　　針對上面提到的幾種情況，報警處理的軟件設計將加以區分對待：

　　檢測到跌倒后，系統啟動(dòng)30S的倒計時(shí)器，并打開(kāi)蜂鳴器，每3S響一次，如果沒(méi)有接收到任何輸入，30S結束后，系統自動(dòng)發(fā)布報警信息；

　　進(jìn)入30S倒計時(shí)后，蜂鳴器"beep"，系統可以響應用戶(hù)輸入，跌倒探測器的兩個(gè)按鍵分別設置為"手動(dòng)報警"和"取消（報警）"的功能，如果用戶(hù)按"手動(dòng)報警"鍵，系統發(fā)布報警信息；

　　如果用戶(hù)按"取消"鍵，系統關(guān)閉30S倒計時(shí)和蜂鳴器，不作任何處理，直接返回計步器和跌倒檢測狀態(tài)。

　　通信控制

　　報警信息通過(guò)CDMA短信的方式發(fā)送給接收方，跌倒探測器采用DTGS-800b型CDMA模塊，通信控制就是使其能夠正常工作的一段例程。DTGS-800b型CDMA模塊提供RS232接口，MCU可以根據需要通過(guò)AT命令實(shí)施對通信過(guò)程的控制。具體通信例程根據設計需求應包括如下內容：

　　啟動(dòng)CDMA模塊--Comm_Start( )；

　　啟動(dòng)GpsOne?服務(wù)--Gps_Start( )；

　　獲得GPS空間定位信息--Gps_Position( )；

　　發(fā)送短信息報警--Send_SMS( )。

　　由于通信例程涉及的狀態(tài)不多，基本是按照上面的順序進(jìn)行，因而程序結構比較簡(jiǎn)單，這里就不再贅述。

　　結論

　　按照上述方案設計完成的跌倒探測器樣機線(xiàn)路板如圖9所示，左圖為帶有CDMA模塊線(xiàn)路，右圖為不帶CDMA模塊線(xiàn)路，可見(jiàn)其下方是讀SIM卡電路。上電后，該線(xiàn)路板各功能模塊工作正常，能夠完成加速度采集、EEPROM數據存儲和跌倒報警短信發(fā)送（包括自動(dòng)、手動(dòng)和取消模式），按鍵液晶均能夠正常